简支预应力空心板梁桥拼宽方案研究分析

陈 武

（祎海城市规划设计（上海）有限公司，上海 200000 ）

0 引言

随着经济建设的发展，交通量的增加，早期修建的一些道路已不能满足现有的交通需求，从而造成交通拥堵，为改善这种现况，需对其进行加宽改造[1]。简支空心板梁桥在一些低等级公路中大量采用，故在一些道路拓宽改造项目中，经常要涉及空心板梁桥的加宽改造。

本文以上海青浦区塘昆路提档升级改造工程项目为依托，参考借鉴实际桥梁拼宽工程，给出合适的桥梁拼宽方案，然后采用Midas 建立空间有限元模型，对比各不同拼宽方案下在新桥沉降、收缩徐变、车道荷载等作用下的整体受力分析，比选出最优的拼宽方案用于设计及施工。

1 空心板梁桥的拼宽方案

目前桥梁拼宽方案主要有上下部结构均不相连、上下部结构均相连、上部结构相连，下部结构不连三种[2]。考虑到老桥已运营多年，基础沉降及混凝土收缩徐变已趋于稳定，又由于上海地区为软土地基，新老桥间不均匀沉降差异明显，如果采用下部结构相连，会引发结构连接处产生裂缝等桥梁病害，故否定下部结构相连的拼宽方案。通过调查收集上海地区的加宽改造项目，空心板梁桥拼宽方案主要采用以下3 种模式。

1.1 下部结构不连，上部结构刚性连接

刚性连接是指新旧桥梁之间通过湿接缝及端横梁形成刚性体系。一般做法为：凿除旧桥边梁翼缘板混凝土，露出翼缘板钢筋与新建边板翼缘的预留钢筋进行焊接，并保证10d 的钢筋焊接长度，并在旧桥边板端横梁位置处进行植筋与新桥边板端横梁预留钢筋进行焊接形成钢筋网，最后对连接段进行浇筑混凝土使新老桥上部结构形成整体（如图1）。

图1 老桥与新桥上部板梁刚接构造图

此拼宽连接方式的优点是连接牢靠，位置易调整，且行车平顺。但由于其连接部为刚性连接，连接部位不仅要传递剪力还要传递弯矩，在新桥的沉降、收缩、徐变等作用下对老桥及连接部受力不利，且在老桥端横梁处需要植筋，植筋过程中可能会破坏预应力钢筋。

1.2 下部结构不连，上部结构铰接

此方案为在新老桥连接部位通过纵向铰缝进行连接。拼接时，需拆除老桥边板，用中板进行替换，在新老桥之间通过现浇铰缝进行连接。此拼宽连接方式仅传递剪力，不传递弯矩，与刚性连接相比，无需凿除老桥边板翼缘混凝土，且无需对老桥进行植筋。在后期运营阶段，新桥的沉降、收缩、徐变作用对老桥的效应相比刚性连接较低，但也较易引起连接处桥面开裂，且还需更换一块边板，造价相对较高。

1.3 下部结构不连，上部结构也不连

此方案新桥与老桥之间各自相互独立，互不影响，避免了新建桥梁沉降、收缩、徐变对老桥的影响。此方案采用型钢伸缩缝进行断缝处理（如图2），由于型钢伸缩缝的存在，很好的适应了新老桥之间的横向及竖向变形差异，从而有效阻止了断缝处桥面铺装的开裂问题，且防水效果较好，以及纵向伸缩缝维修更换方便。

图2 新桥与老桥上部板梁不连接图

2 工程背景

塘昆路农村改建工程提档升级工程柘泽塘桥跨越柘泽塘河，该桥跨径布置为13+22+13m，老桥上部结构采用先张法预应力混凝土空心板梁，横向布置4 片空心板，下部结构为双柱式钻孔灌注桩接承台基础，桥宽4.5m，桥面布置为：净4+2x0.25m 栏杆，根据检测结果资料，老桥检测评定等级为2 类桥，满足现行公路-II 级车道荷载通行要求。根据要求对原桥进行加宽改造，需拓宽至7m，拼宽桥梁采用2 片空心板,拼宽后为双车道布置，设计荷载：公路-II 级。

3 计算分析

3.1 建立模型

采用Midas civil 软件建立有限元模型对结构进行受力分析，对上部板梁建立梁格模型，纵梁按实际板梁截面进行建立，横梁按空心板的顶板截面进行建立，利用刚性横梁模拟新老桥之间的刚接，通过释放梁端约束的边界条件来模拟新老桥之间的铰接和不连接。其中为模拟新老桥接缝处结构不连接，利用释放梁端约束边界，释放连接处的平动位移和转动位移，使其既不传递剪力又不传递弯矩。模拟铰接时，只释放转动位移，使其只传递剪力不传递弯矩[3-4]。

3.2 新桥收缩徐变对老桥受力的影响

老桥由于长达数年的运营，其收缩徐变已趋于稳定，而拼宽的新桥部分的收缩徐变才刚开始。在计算模型中，不考虑老桥部分的收缩徐变，新桥部分考虑10年的收缩徐变。如若新老桥之间采用刚接或铰接，老桥部分会对新桥部分的收缩徐变形成约束，进而对老桥部分产生附加次内力。新老桥之间采用结构不连接时，各自结构受力独立，新桥部分收缩徐变对老桥不影响。新桥收缩徐变对老桥的受力影响，见表1 和表2。

表2 新桥收缩作用引起老桥空心板梁的最大弯矩

3.2 车道荷载对老桥受力的影响

老桥拼宽前，原老桥桥面宽度为4.5m，上部结构布置4 片空心板梁，桥面只能布置一个车道。拼宽成7m 后，桥面能布置双车道，原老桥空心板横向分布系数增大，原老桥空心板所受活载增大，拼宽所带来的车道数的增加不利于老桥空心板。根据老桥检测资料，并依据相关规范，对老桥空心采取一定的加固设计。老桥在拼宽前及各种拼宽连接后，车道荷载在偏载最不利布置情况下，引起老桥空心板的跨中最大弯矩见表3。

表3 车道荷载引起老桥空心板梁的最大弯矩

3.3 支座沉降对老桥受力的影响

老桥由于运营时间较长，基础沉降已基本完成，而拼宽部分新桥的基础沉降才刚开始。如若新老桥之间拼宽连接采用刚接或铰接，新桥部分的基础沉降会受到老桥的约束，必将对老桥部分产生附加内力。若新老桥之间采用结构不连接时，新老桥之间各自受力独立，新桥基础的沉降对老桥不影响。根据新老桥之间刚接和铰接的梁格模型分析得，新桥的基础沉降对老桥拼宽处的边板影响较大，且所产生的弯矩由端部到跨中依次减小，对依次往内的中板影响逐渐减小。新桥沉降对老桥的受力影响见表4.

表4 新桥沉降引起老桥空心板梁的最大弯矩

4 结论

以塘昆路柘泽塘桥拼宽改造项目为依托，建立新老桥拼宽之间刚接、铰接、不连接3 种有限元模型，对比3 种不同拼宽连接方式下，新桥收缩徐变、沉降、以及车道荷载对老桥的受力影响，得出以下结论：

（1） 拼宽连接处采用刚接或铰接时，新桥部分板梁的收缩徐变对老桥的受力影响基本相同，而采用不连接时，对老桥不影响。

（2） 拼宽后随着车道数的增加，老桥部分板梁的内力较拼宽后有所增加，采用铰接和刚接时，增加的内力基本相同，而采用不连接时，增加的内力最大，但通过对老桥采用加固设计后，老桥承载能力满足规范要求。

（3） 拼宽连接采用刚接或铰接时，新桥的基础沉降对老桥的受力影响基本相同，且内力都是由端部到跨中依次减小，对老桥其他空心板依次往内逐渐减小，而采用不连接时，对老桥不影响。

综上所述，推荐空心板拼宽采用带纵向伸缩缝的结构不连接方案。